基于低功耗廣域網無線通訊技術的配電網監測通信終端的設計與實現

韋盈釋 皮昊書 陳子涵 陳金鋒

摘 要：針對智能配電網應用提出的通信需求，基于窄帶物聯網技術，設計了一種可滿足多傳感器，實現低功耗廣域網數據傳輸的通信模塊。將內核為ARM Cortex-M3的STM32作為主控芯片，采用海思公司設計生產的NB-IoT芯片作為通信芯片。經實驗測試，該模塊具有收發速度快、性能穩定、外形小巧、性價比高等優點，滿足配電物聯網的應用需求。

關鍵詞：智能電網;低功耗廣域網;窄帶物聯網;通信終端;STM32;傳感器

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2019）06-00-03

0 引 言

隨著國家“智能電網”戰略的提出與推進，各種類型的傳感器被廣泛應用于配電網在線監測系統中，以提高配電網的工作效率與運行安全，大幅減少了系統運行維護的人力物力投入。由于配電設備設施數量龐大、運行環境復雜，相當數量的設備處于地下、半地下，且在線監測系統需要有效的通信網絡支持，而原有的有線通信網絡部署成本高，可靠性、安全性較差，無線通信網絡距離受限，這些問題在一定程度上阻礙了配電物聯網的快速部署。本文針對這些問題，引入了低功耗廣域網通信技術（Low Power Wide Area Network，LPWAN），采用窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）技術，設計并實現了適用于配電網復雜環境的無線通信終端，支持各類在線監測系統的有效運行。

1 NB-IoT技術簡介

低功耗廣域網無線通信技術主要包括兩種主流技術：一種是非蜂窩物聯網，主要有LoRa，Sigfox，ZigBee等短距通信技術;另一種是蜂窩物聯網，主要采用NB-IoT技術[1]。非蜂窩物聯網依靠用戶自身組網通信，網絡結構簡單，一般呈星型結構，基于非授權頻譜，通過兩級組網方案實現部署。而3GPP給運營商制定的物聯網解決方案即NB-IoT，其主要技術特點為超窄帶、網絡協議精簡、可重復傳輸等，采用犧牲部分移動性、速度、時延等性能的方法，使其具有面向LPWAN物聯網的承載能力，優勢是覆蓋廣、網絡穩定。NB-IoT基于授權頻譜、依托運營商豐富的網絡運維經驗，使得網絡傳輸可靠性更高、傳輸安全性更強，網絡部署和維護問題易于解決，終端即插即用，降低了業務部署門檻[2]。

NB-IoT被設計用于低功耗/長待機、深覆蓋、大容量、移動性較弱的低速率業務。這些特點能滿足非實時的配電網在線監測應用，尤其適合靜態、非連續移動和對時延并不敏感的業務場景。目前已經部署的應用項目包括智能電表、水表、壓力表、流量計、水質儀表、智能消火栓、智能井蓋等[3]。

2 硬件設計

2.1 通信終端總體設計

終端系統結構如圖l所示。系統控制核心由STM32L152CBT6及其外圍電路組成，可實現對各個模塊的協調控制與數據的處理、加密及與NB-IoT模塊通信。隔離型485通信模塊與主控連接，進行485總線數據通信。存儲模塊通過I/O總線與主控相連。NB-IoT模塊通過專用網與管理中心實現數據交互，并通過數據加密模塊實現加密通信。

2.2 MCU模塊系統主控芯片采用意法半導體設計生產的超低功耗STM32L152CBT6，這款MCU（微處理器）基于ARM Cortex-M3內核設計，擁有128 KB FLASH和16 KB SRAM，主頻率最高可達32 MHz，待機模式電流最低約0.9 μA，I/O數量為37，可以支持的外設包括Brown-out Detect/Reset，DMA，I2S，LCD，POR，PWM和WDT。外設通信接口包括USB，USART，SPI和I2C，性價比高，適用于此場景。

2.3 NB-IoT模塊

NB-IoT模塊采用上海移遠通訊技術公司設計生產的BC28。BC28基于華為海思芯片開發，可支持的頻段為 B1/B3/B5/B8/B20/B28，在multi tone模式下最大上行速率可達 62.5 kbps。BC28是一款性能優越、緊湊、耗能較低的多頻段NB-IoT無線通信模塊，其尺寸為17.7 mm×15.8 mm×2.0 mm，能最大限度滿足終端設備對小尺寸模塊產品的需求，適合非實時監測設備和通信終端。BC28 NB-IoT模塊接口電路簡圖如圖2所示。

2.4 數據加密模塊

為滿足物聯網設備安全認證的應用需求，選用上海動信微電子公司設計生產的DX82物聯網加密芯片，該芯片采用對稱標識認證體系，同域設備間只需知道標識即可完成相互的鑒別認證和加密數據傳輸，無需建立復雜的密鑰管理中心，主機完成流程控制和數據傳輸，兼容接口標準I2C，SPI協議。

每顆芯片均通過wafer制造定制唯一的ROM SN序列號，內置56 bit OTP用戶UID，支持寫入手機號、QQ號等，不僅可以規范產品編號，方便生產、出貨、竄貨管理，同時也便于產品接入物聯網或者移動互聯網。64 bit芯片配置有密鑰可對用戶進行認證，采用國際通用SHA1算法可實現Host Anti-Clone認證，密鑰長度為128 bit。DX82物聯網加密芯片加密原理如圖3所示。

2.5 RS 485收發器模塊

RS 485收發器模塊ADM2587E采用isoPower集成隔離式DC/DC轉換器，可以設置在半雙工或全雙工模式下，封裝形式為20引腳寬體SOIC，管腳可以兼容，工業溫度范圍為額定的工作溫度范圍（-40～+85℃），同時具備±15 kV ESD保護功能的集成式隔離數據收發器，非常適合在多點傳輸線路上進行高速通信。該器件為均衡傳輸線路而設計，符合ISO 8482：1987（E）和ANSI TIA/EIA-485-A-98標準。它采用來自ADI公司研發的iCoupler技術，在單個封裝內集成了一個三態差分線路驅動器、一個三通道隔離器、一個isoPower DC/DC轉換器和一個差分輸入接收器。該器件采用5 V/3.3 V單電源供電，實現了完全集成的信號和電源隔離RS 485解決方案，滿足該通信終端的需求[4]。ADM2587E電路如圖4所示。

3 軟件設計

3.1 MCU底層配置

為實現MCU與NB-IoT通信、加密和其他模塊之間的數據通信，實現傳感數據的加密和傳輸功能，在搭建的實驗平臺上將需要用到的庫函數和相關配置文件添加到指定位置，之后配置中斷控制器、系統時鐘、輸入輸出的GPIO以及相應串口。需對照原理圖編寫，根據芯片對各模塊進行配置[5]。

開發環境搭建好后，開始配置端口參數。首先設置串口傳輸的波特率為115 200，字長為8位，l位停止位，無校驗位。在對串口初始化后，打開串口的中斷響應函數，完成串口配置。中斷控制器的配置：開啟USART全局中斷，使能串口再初始化。

3.2 通信功能的實現通信功能的實現主要涉及AT命令和串口的讀寫。AT命令是主控芯片STM32和BC28之間的通信協議，完成對BC28的控制，串口命令是主控與傳感器之間的通信協議。通信功能實現流程：

（1）系統初始化完成后檢查采集指令，若無采集指令則進入休眠節電狀態，若有，則打開I/O采集傳感器數據;

（2）數據采集完成后，與加密模塊交換數據并加密;

（3）加密完成后，檢查BC28是否正常開通，若未正常開通，則進入等待，若正常開通則啟動通信;

（4）數據通信完成后，檢查是否有新的采集指令，這一過程循環進行。系統通信流程如圖5所示。

4 測試效果

終端開發完成后，團隊利用中國電信的測試卡進行了室內和室外測試，分別將終端放置于地下電纜溝及地下室內，同時接入溫度、濕度和局部放電傳感器進行測試。采集和通信時間間隔分別設定為10 s，60 s，300 s，對信號的穿透性、準確性、一致性進行了統計，與其他無線通信方式（ZigBee，GPRS）相比，發現此終端在其他無線通信方式丟失部分或全部數據的情況下，仍保持較高的數據通信質量，實現了高等級的數據加密，且耗費電能更少。因此，本文提出的通信終端能很好地滿足配電物聯網數據通信的需求。

5 結 語

本文基于窄帶物聯網技術設計的配電網監測通信終端將STM32作為主控芯片，結合NB-IoT芯片與加密芯片等，實現了各類傳感器數據的廣域網通信。經多次對比測試，本終端具有數據傳輸穩定、功耗低等優點。同時，本設計采用了成本較低、適應高壓電力環境的芯片和模塊，市場競爭優勢明顯，在配電物聯網領域極具推廣價值，將大幅減少電力系統的運營成本，產生較高的經濟效益。

參 考 文 獻

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[3]陳永波，湯奕，艾鑫偉，等.基于LPWAN技術的能源電力物聯專網[J].電信科學，2017（5）：143-152.

[4]林長勇.基于NB-IoT的物聯網應用研究[J].信息與電腦，2017（17）：167-169.

[5]趙元，張力方，邢宇龍，等.NB-IoT技術評估及組網方案研究[J].郵電設計技術，2017（8）：40-45.

[6]陳淘，劉利兵.大數據在智能電網中應用[J].物聯網技術，2016，6（4）：54-55.

[7]呂遠.基于LoRa通信的無線報警系統[J].消防技術與產品信息，2018（5）：71-74.

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[9]楊曉鳴，田遠勤.物聯網網絡通道技術及其應用[J].物聯網技術，2017，7（10）：77-79.

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